От Земли до Сатурна. Жизнь «Кассини» и его открытия в фотографиях

Главная

Лето

Пятнадцатого сентября 2017 года, около 14:55 по московскому времени, завершил свою многолетнюю миссию «Кассини», космический аппарат, составивший самую детальную на сегодняшний день картину Сатурна. Теперь благодаря «Кассини» мы знаем о новых мирах-лунах, где могла возникнуть жизнь, об устройстве огромных и удивительных колец, а также о колоссальных штормах, существующих на газовом гиганте. Аппарат собрал огромный объем данных о единственном спутнике в Солнечной системе, обладающем собственной атмосферой, - Титане. В память об одной из самых сложных, дорогостоящих и успешных межпланетных миссий мы предлагаем вспомнить ее главные результаты.

Двадцать лет назад

Разработка миссии «Кассини-Гюйгенс» началась в 1982 году объединенной рабочей группой Национальной академии наук США и Европейского научного фонда. В создании аппарата участвовало 19 стран и три космических агентства (NASA, ESA и Итальянское космическое агентство). К тому моменту окольцованную планету уже посетили три аппарата - «Пионер-11» (1979), «Вояджер-1» (1980) и «Вояджер-2» (1981). Одним из главных открытий предыдущих миссий стало то, что крупнейший спутник Сатурна, Титан, обладает чрезвычайно плотной атмосферой, которая не позволяет напрямую исследовать его поверхность. Кроме того, стало понятно, что полюса магнитного поля планеты удивительно точно совпадают с географическими - эта необычная находка сильно осложнила, казалось бы, простую задачу: выяснить продолжительность суток на Сатурне.

Новая объединенная миссия должна была подробнее рассказать об особенностях системы Сатурна. Изначально она должна была продлиться около трех лет, а основное внимание ученых было обращено на атмосферу Титана и Сатурна, магнитосферу газового гиганта, геологию его спутников и анализ состава системы колец.

Пятнадцатого октября 1997 года аппарат стартовал с мыса Канаверал. Путешествие к Сатурну продлилось больше шести лет - «Кассини» сделал гравитационные маневры вблизи Венеры (дважды), Земли и Юпитера и лишь летом 2004 года достиг цели. Последующие открытия стали поводом к тому, чтобы трижды продлевать миссию: сначала на два года в связи с сатурнианским равноденствием, затем еще на шесть лет во время смены сезонов и, в конце концов, на «Большой финал» (Grand Finale) - заключительный четырехмесячный этап.

Посадка на Титан

Одним из самых впечатляющих результатов миссии стала посадка спускаемого зонда «Гюйгенс» на Титан 14 января 2005 года. Это уникальный спутник, обладающий плотной атмосферой (в полтора раза плотнее земной), единственный подобный объект во всей Солнечной системе. При разработке зонда исследователи учитывали ряд теорий о том, что Титан может быть покрыт метановым океаном, «Гюйгенс» был готов как к приводнению, так и к посадке на твердую почву. Как оказалось впоследствии, на Титане и правда есть резервуары с жидкостью - аммиачно-метановые моря, но они занимают сравнительно небольшую часть спутника.

«Гюйгенс» не только изучил состав атмосферы (вблизи поверхности доля метана доходит до пяти процентов, в остальном она состоит из азота), но и измерил скорость ветров вблизи поверхности спутника - она оказалась порядка нескольких метров в секунду, что сопоставимо с несильными земными ветрами. Также зонд передал снимки с поверхности Титана и даже записал звуки , окружавшие его при спуске. Последующий совместный анализ данных с «Гюйгенса» и «Кассини» позволил предположить, что под поверхностью спутника находится огромный водный океан.

Ученые также показали, что на Титане есть свой аналог круговорота воды в природе, только роль воды в нем играет метан. Точно так же как на Земле бывают водные дожди, на Титане периодически происходят метановые дожди, а рельеф и форма камней на поверхности спутника указывают на существование потоков жидкости.

Деятельность «Гюйгенса» на Титане на сегодня является примером единственной успешной посадки во внешней Солнечной системе.

Облака над Сатурном издалека похожи на мазки космической кистью - это эффект взаимодействия жидких составляющих в атмосфере планеты

Гейзеры Энцелада

В 2005 году по фотографиям и другим данным, собранным «Кассини», стало понятно, что как минимум одна из лун Сатурна геологически активна. Ранее считалось, что это невозможно, поскольку спутники остыли и располагаются слишком далеко от Солнца, однако над южным полюсом Энцелада аппарат «увидел» явные следы гейзеров - 250-километровые шлейфы воды, бьющие из под поверхности. Их источниками оказались длинные разломы на ледяной поверхности спутника - так называемые «тигровые полосы».

В последующие годы изучению этих шлейфов была посвящена значительная часть усилий миссии. Сначала исследователи доказали, что их источник - это не изолированный резервуар, наподобие подледного озера, а глобальный океан, покрывающий весь спутник. Его глубина оценивается в 45 километров, толщина льда над ним колеблется от двух до двадцати километров.

Почти два года назад аппарат совершил опасный маневр, пролетев сквозь водные шлейфы на высоте всего 49 километров над поверхностью спутника. Его масс-спектрометры зафиксировали большое количество водорода в выбросах, а также метан и углекислый газ. Их концентрации, как и сам факт наличия, указывают на то, что на дне океана идут гидротермальные процессы, которые вполне могут обеспечить энергией живые организмы. Сегодня Энцелад считается одним из самых перспективных мест Солнечной системы для зарождения внеземной жизни.

Сатурн во время солнцестояния

Рождение колец

Кольца - пожалуй, самая узнаваемая деталь Сатурна. Это растянувшаяся на сотни тысяч километров система из пылевых колец, толщина которой местами составляет лишь десятки метров. До сих пор неизвестен ни возраст колец, ни их точное происхождение. Астрономы рассматривают эту систему как прообраз молодой Солнечной системы, в которой только начинали формироваться планеты.

«Кассини» показал необыкновенную сложность и изменчивость этой системы. Так, многочисленные луны Сатурна вызывают своей гравитацией различные завихрения в кольцах, как это происходит в F-кольце под действием Пандоры и Прометея. Некоторые из колец по-прежнему формируются, как, например, E-кольцо, материал которого выбрасывают гейзеры Энцелада.

Благодаря «Кассини» был открыт новый объект в этой системе - кольцо Януса-Эпиметея, образованное из пыли и частиц породы, выброшенной в столкновениях Януса и Эпиметея с различными небесными телами. Также снимки с аппарата позволили обнаружить удивительные структуры на границе B-кольца - своеобразные «горы», поднимающиеся над плоскостью колец на 2,5 километра.

Кроме того аппарат открыл, по меньшей мере, восемь новых спутников Сатурна, изучая кольца. Среди них Полидевк, Паллена, Мефона, Анфа, Эгеон и Дафнис. Диаметр этих небесных тел не превышает нескольких километров.

Сезоны Сатурна

Одно из главных достоинств «Кассини» - большая длительность миссии. За 13 лет пребывания неподалеку от Сатурна аппарат увидел несколько смен сезонов планеты - от зимы до лета в северном полушарии (сатурнианский год длится почти 30 земных лет). Несмотря на то, что гигант находится в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, изменения в освещенности все равно приводят к значительным изменениям в атмосфере газового гиганта. Например, гигантский гексагон, шторм правильной шестиугольной формы, который бушует на северном полюсе, сменил за время миссии свой цвет с синего на золотистый. Ученые связывают это с химическими превращениями, происходящими в атмосфере под действием увеличивающегося количества солнечного света в связи с наступлением лета.

Северный полюс Сатурна в лучах Солнца. Гигантский шестиугольник над полюсом - шторм

С сезонами связано еще одно явление на газовом гиганте - образование «спиц» в кольцах Сатурна. Это продолговатые клиновидные объекты, вращающиеся вместе с кольцами, но располагающиеся на некоторой высоте над ними. «Спицы» были обнаружены еще «Вояджерами», но благодаря «Кассини» стало понятно, что это, по всей видимости, периодическое явление, которое наблюдается в конце сатурнианской зимы.

Через год после сатурнианского равноденствия, с приходом весны в северное полушарие гиганта, исследователи обнаружили на снимках «Кассини» огромный шторм. Его площадь в восемь раз превосходила площадь поверхности Земли. Согласно показаниям приборов, в шторме вспыхивало до десяти молний в секунду. Его движущей силой также оказалось изменяющееся освещение.

Магнитное поле

Одна из задач, стоявших перед «Кассини», оказалась ему все же «не по зубам». По суточным изменениям в магнитном поле Сатурна аппарату предстояло выяснить, какова истинная продолжительность суток на планете. Обычно такие колебания наблюдаются, когда магнитное поле немного отклонено от оси вращения планеты. Но в случае Сатурна отклонение между магнитным полем и полюсами оказалось меньше 0,06 градуса.

Прямые попытки измерить скорость вращения по колебаниям магнитного поля дали довольно большой разброс - от 10,6 до 10,8 часа, в зависимости от сезона измерений и полушария, над которым находился аппарат. Ряд дополнительных измерений запланирован на «Большой финал» миссии.

И, конечно, нельзя не упомянуть сотни тысяч снимков , сделанных «Кассини» (часть из них мы уже публиковали ранее - и ), и гигабайты переданных научных данных, еще ожидающих обработки. В последнем акте миссии аппарат сделал ряд опасных измерений, недоступных ранее. В тесных (всего несколько тысяч километров над облаками) сближениях минувших четырех месяцев зонд детально исследовал гравитационное и магнитное поля Сатурна, собрал информацию о материале, из которого состоят внутренние кольца. До потери сигнала «Кассини» продолжал передавать в режиме реального времени информацию с масс-спектрометра, позволяющего определить, какие вещества окружают аппарат. На их анализ уйдет еще немало времени, и вполне возможно, что его результаты принесут новые открытия - например, наконец разрешится загадка возраста колец Сатурна. Нам же остается ждать новых публикаций от команды миссии и надеяться на скорое продолжение исследований в системе окольцованной планеты.

Владимир Королёв

Вид на кольца Сатурна C и B изнутри

Свою миссию первый искусственный спутник Сатурна — зонд Cassini. Он сгорел в атмосфере планеты. Зонд передавал на Землю снимки, которые позволят ученым узнать больше о Сатурне, его кольцах и спутниках. Самые яркие из них — в фотогалерее РБК.

Межпланетный зонд Cassini был создан NASA, Европейским космическим агентством и Итальянским космическим агентством. Он стартовал с Земли в октябре 1997 года и был предназначен для исследования Сатурна, его колец и спутников.

(Фото: NASA / JPL / University of Colorado)

Зонд достиг Сатурна в 2004 году. Орбитальная станция Cassini — часть комплекса. Он состоял из орбитальной станции и спускаемого аппарата с автоматической станцией «Гюйгенс», предназначенной для посадки на Титан, которая состоялась 14 января 2005 года.

(Фото: NASA / JPL / Space Science Institute)

Финальная часть исследования Сатурна началась в апреле 2017 года. Зонд должен был пролететь между Сатурном и его кольцами, чего ранее не делал ни один аппарат, созданный руками человека. После 22 таких пролетов, как и предполагалось, у Cassini закончилось топливо (он работал от трех радиоизотопных термоэлектрических генераторов на плутонии-238), и он был направлен в плотные слои атмосферы планеты, где сгорел.

(Фото: NASA / JPL / Space Science Institute)

Сигналы с Cassini на Земле получали в течение 83 минут после гибели космического аппарата. Ученые надеются, что перед гибелью он успел передать информацию, которая даст более полное представление о строении атмосферы Сатурна.

(Фото: NASA / JPL / Space Science Institute)

Всего к исследовательской программе привлечено 17 стран. В обработке данных, поступающих с Cassini, участвует более 250 ученых по всему миру.

(Фото: ESA / NASA / JPL / University of Arizona)

Cassini начал облет колец Сатурна с Северного полюса, по мере движения высота полета снижалась с 72,4 тыс. км над уровнем облаков.

«Ни один космический аппарат никогда не был так близок к Сатурну. Мы могли полагаться только на прогнозы, основанные на наших знаниях о других кольцах Сатурна, наших представлениях о том, что представляет собой промежуток между кольцами и Сатурном. Я рад сообщить, что Cassini прошел через этот промежуток, как мы и планировали, и вернулся в отличной форме», — руководитель миссии Cassini, доктор Эрл Мейз в апреле 2017 года.

(Фото: NASA / JPL / Space Science Institute)

Первоначально планировалось закрыть миссию в 2008 году. Однако впоследствии она была продлена.

Зонд Cassini стал первым искусственным спутником Сатурна, а автоматическая станция «Гюйгенс» — первым космическим аппаратом, который совершил мягкую посадку во внешней области Солнечной системы (начинается за пределами орбиты Марса и пояса астероидов).

(Фото: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)

В 2004 году, когда зонд достиг Сатурна, в северном полушарии была зима, а оно находилось в тени.

(Фото: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)

Общие затраты на миссию составили более $3,26 млрд.

Девять лет назад, 14 января 2005 года , спускаемый аппарат «Гюйгенс», отделившись от межпланетной космической станции «Кассини», произвел посадку на поверхность Титана – самого крупного из спутников Сатурна. До полного разряда бортовых батарей шла активная исследовательская работа, начавшаяся еще во время парашютного спуска «Гюйгенса» и далее на планете, словом, полный успех миссии, продлившейся почти 8 лет!

Экспедиция являлась совместным проектом американского NASA, Европейского космического агентства (ESA) и Итальянского космического агентства. Каждое из агентств формировало обширную научно-техническую кооперацию для разработки и создания космических аппаратов и их бортовых систем. Проект «затянул» на $3,3 млрд.

Станция «Кассини» в сборе с отделяемым аппаратом «Гюйгенс» и при полной заправке всеми видами топлива имела массу около 6 т. Ее продольный размер достигал 10 м. Электропитание аппаратуры обеспечивали плутониевые термоэлектрические генераторы, само наличие которых на борту космического аппарата вызвало в свое время много протестов «зеленых» в США и Европе.

Сегодня самое время вспомнить этапы этого впечатляющего проекта и те удивительные открытия, которым мы обязаны, в первую очередь, создателям бортового комплекса автоматического управления «Кассини-Гюйгенс», продемонстрировавшего филигранную технику пилотирования на удалении более светового часа от Земли.

Дела и люди. Осуществление столь масштабного проекта, где помимо множества технических проблем необходимо было решать уйму сложнейших организационных вопросов, было бы невозможно без участия талантливых организаторов, принявших на себя колоссальную ответственность. Ими стали:

Руководитель проекта «Кассини» Роберт Митчел из Лаборатории реактивного движения NASA.

Научный руководитель проекта «Кассини» от NASA Деннис Мэтсон .

Руководил проектом «Гюйгенс» Жан-Пьер Лебретон из Европейского космического агентства.

Хотелось бы отметить еще одного ключевого участника программы. Доктор Кэролин Порко , руководитель группы разработчиков Института космической науки в Боулдере (США), отвечавшей за создание комплекса фотоаппаратуры.

Благодаря характеристикам аппаратуры (объект размером в 2,4 см камеры различают на удалении до 4 км), мы получили возможность, буквально, оказаться рядом с Сатурном. Как выразилась однажды сама Кэролин Порко: «Мы – глаза «Кассини»… Свойства нашей аппаратуры позволяют передать ощущение приключения. Эффект присутствия оказался выше всякого ожидания. Все это дает мне возможность почувствовать себя немного Стивеном Спилбергом».

«Туда и обратно»: Земля-Венера-Земля и далее... Комплекс «Кассини-Гюйгенс» был выведен на орбиту вокруг Земли 15 октября 1997 года ракетой-носителем Титан-IVВ, которая явилась последней в истории этих носителей. Отказ от дальнейшего применения ракет этого типа в немалой степени объяснялся высокой токсичностью использкемого топлива (гидразин-гептил) и чрезвычайной дороговизной ($400 млн. без стоимости полезного груза). После доразгона, космическая станция отправилась… нет, не к Сатурну, а совершенно в другую сторону – к Солнцу.

26 апреля 1998 года «Кассини», приблизилась к Венере на расстояние, позволяющее совершить ускоряющий гравитационный маневр в ее поле тяготения, и этот маневр успешно выполнила. Повторно такой же «трюк» вблизи Венеры станция совершила 24 июня 1999 года, после чего, приобретя необходимую скорость и «сэкономив» условные 68 тонн топлива, отправилась обратно к Земле.

Вблизи Земли 18 августа 1999 года «Кассини» выполнила еще один гравитационный маневр, после чего взяла курс на Юпитер, к торому станция приблизилась в середине 2000 года. Выполнив в поле тяготения «Джупа» еще один ускоряющий маневр, «Кассини» пошла в расчетную точку встречи с Сатурном. Основная часть бортовой аппаратуры была отключена, станция «уснула». Красоту решений межпланетных навигаторов и колоссальную вычислительную работу ими проделанную, трудно оценить неспециалистам, однако дело обстоит именно так – оказалась блестяще, «с отличием», решена труднейшая баллистическая задача. Браво!

Сатурн на расстоянии вытянутой руки. В январе 2004 года началось «пробуждение» бортовых систем станции. Так получилось, что первым встречным на пути к Сатурну оказалась Феба – небольшая сатурнианская «луна», диаметром около 200 километров. 11 июня «Кассини» прошла на расстоянии всего 2068 км от Фебы.
Дальнейшие операции по сближению с Сатурном, управление пролетом сквозь зазоры между кольцами и торможением выполнял самостоятельно бортовой компьютер «Кассини». Радиоуправление в реальном времени было невозможно – станция находилась на удалении почти 1,5 световых часа от Земли.

А сделать надо было мно чего: правильно сориентировать станцию, включить на 38 секунд главные тормозные двигатели с тем, чтобы «прицелить» траекторию подхода точно в зазор между кольцами F и G Сатурна (на фото внизу), снова развернуть станцию таким образом, чтобы конструктив остронаправленной антенны стал своеобразным «щитом», защищающим станцию от твердых частиц, находящихся в зоне колец (как «барабанила» космическая пыль по корпусу можно было услышать своими ушами – эти звуки фиксировались микрофоном и передавались на Землю).

После прохождения плоскости колец, нужно было вновь сориентировать сопло торможного двигателя станции для второго этапа торможения, длившегося 97 минут, обеспечившего выход «Кассини» на орбиту вокруг Сатурна с минимальным удалением 20 тыс. км от его внешнего слоя облаков. Затем вновь рассчитать ориентацию станции и совершить второй «нырок» между кольцами, выстраивая траекторию, с которой может быть осуществлен сброс «Гюйгенса» на Титан. И это все полностью в автоматическом режиме.
Во время этого полета «Кассини» делала и один за другим слала на Землю потрясающие снимки сатурнианских колец, структуру которых лишь сейчас стало возможно рассмотреть в деталях.

К Титану! 2 июля 2004 года, через 30 часов после «прибытия» к Сатурну, «Кассини» первый раз приблизилась к Титану на расстояние 339 тыс. км. Первые инфракрасные спектры атмосферы выявили наличие целого «букета» органики – метан, этан, диацетилен, бензол, синильная кислота, пропан… 26 октября состоялось второе сближение с Титаном, до которого теперь оставалось всего 1200 километров. 25 декабря 2004 года была выполнена расстыковка станции «Кассини» и спускаемого аппарата «Гюйгенс», который отправился в самостоятельный полет в заранее рассчитанную точку встречи с Титаном.

Титан. 14 января 2005 года руководители и ведущие специалисты программы «Кассини-Гюйцгенс» собрались в Дармштадте (Германия) в Европейском центре космических операций (ESOC). В этот день, согласно расчетам, спускаемый аппарат войет в атмосферу Титана, после чего должна будет запуститься сложная программа управления торможением и парашютным спуском с одновременным фотографированием и измерением параметров окружающей среды. Первые сигналы с борта «Гюйгенса», принятые радиотелескопом Грин-Бэнк в Западной Вирджинии (США), свидетельствовали о том, что спускаемый аппарат цел и снижается на парашюте. На специально созванной прессконференции генеральный директор ESA Жан-Жак Дорден торжественно объявил: «Мы – первые посетители Титана!» Всеобщие овации, поздравления…

Тем временем «Гюйгенс» шел на посадку. Он влетел в атмосферу Титана на скорости 6,1 км/с, его тепловой экран нагрелся до 3500⁰С. На высоте 170-190 км и скорости 400 м/с раскрывается первый тормозной парашют, через 2,5 секунды – второй, основной. Через 42 секунды включается весь комплекс научной аппаратуры зонда и начинается фотосъемка. На высоте 700 м загорается посадочная фара… Посадка оказалась не слишком мягкой (скорость составила примерно 4,5 м/с), но аппаратура выдержала.

«Кассини» принимала и ретранслировала на Землю сигналы «Гюйгенса» в течение 147 мин 13 секунд на участке спуска и 72 минуты 13 секунд – с поверхности. На Земле сигналы зонда удалось принимать 17 радиотелескопам по всему миру. По их данным, через 3 часа 10 мин. после посадки передатчик «Гюйгенса» еще работал.

В восемь вечера журналистам были представлены первые три снимка, присланные с борта «Гюйгенса» - вид на район посадки с высоты 16 км; красивая боковая панорама с высоты около 8 км, горы, метановое море, прибрежный туман… и фотография непосредственно с поверхности Титана. Удивительный мир, погруженный в оранжевые сумерки и скованный 179-градусным морозом…

«Кассини» - космический аппарат, автоматическая межпланетная станция, исследующая Сатурн, его кольца и планетарную систему. Названа в честь астронома Джованни Кассини и запущена к гигантской планете в октябре 1997 года. С тех пор зонд работает прилежно, делая снимки, измеряя спектр, магнитосферу, составляя карты поверхности Сатурна, Титана и других его спутников, а в 2017 году должен будет погибнуть, столкнувшись с предметом своих изучений. Вместе с «Кассини» на Сатурн отправился 320-килограммовый зонд «Гюйгенс». Сама миссия «Кассини-Гюйгенс» оказалась чрезвычайно успешной и позволила нам разглядеть Сатурн и его систему с самых разных ракурсов.

Ученые уже знают, сколько времени длятся сутки на планетах Солнечной системы. К сожалению, точная длительность суток на Сатурне до сих пор оставалась неизвестной, так как исследования давали разные показатели. В XX веке предположить длительность суток на планете можно было только по результатам наблюдений с наземного телескопа, но после запуска первых беспилотных зондов цифры становились более точными. Наконец, данные с аппарата « » дали точный ответ, который перечеркивает все предыдущие предположения.

Правообладатель иллюстрации PA

Миссия зонда "Кассини" началась в уже далеком 1997 году.

Верхний снимок на фоне нашей планеты был сделан в августе 1999 года. Путешествие в 3 млрд км продолжалось около семи лет.

К середине 2004 года "Кассини" наконец достиг орбиты Сатурна с его характерными кольцами. Этот снимок сделан 7 мая 2004 года, когда аппарат находился в 28,2 млн км от планеты: